无人机（UAV）长期以来主要被军方用于监视与侦察任务，或被航拍爱好者用于空中摄影。然而近年来，凭借灵活部署与经济高效的优势，其应用已扩展至民用与商业领域。相较于地面通信中因严重路径损耗、阴影效应和多径衰落而受限的固定基站（BS），无人机凭借更优的视距（LOS）信道条件，展现出成为高效无线通信平台的巨大潜力。在无人机驱动的无线通信系统中，无人机既可作为补充性的空中基站提供按需通信服务，亦可作为由现有蜂窝网络操控的空中用户设备（UE）。但无人机通信系统设计仍面临诸多挑战，包括但不限于信道建模、优化部署、干扰控制、性能分析、有限机载续航能力、轨迹优化，以及缺乏针对无人机通信组网的专门法规标准。
本论文着重研究无人机在无线通信组网中实现安全可靠功能的若干关键设计挑战。相较于广泛应用的蜂窝或卫星系统，无人机通信具有独特的信道特性。然而当前无人机信道建模仍存在诸多难题，例如对非稳态信道时空变化传播特性的研究尚不充分。为此，本文首先系统梳理了现有无人机信道建模的测量方法，深入探讨空地与空空信道的建模实践，并指出现有知识空白以实现更精确的无人机信道建模。
在多重无人机系统部署中，制定高效部署策略对于抵消干扰对覆盖性能的负面影响至关重要。本研究据此提出最差场景下存在下行同频干扰时多重无人机的优化部署方案。具体而言，工作提出两种协同多无人机部署策略：第一方案假设无人机采用对称布局，共享最优高度与发射功率；第二方案则采用不同高度与发射功率的非对称部署。通过细致研究信干噪比（SINR）阈值、无人机间距、无人机数量与编队形态等系统参数的影响，实现目标区域内的最大覆盖与外围冗余覆盖的最小化。
为获取通信系统设计参数与性能指标间的最佳平衡，基础性分析不可或缺。本研究特别选取两个新兴场景评估无人机通信系统性能。第一场景考虑上行链路系统，其中地面用户遵循随机路点（RWP）移动模型，小尺度信道衰落服从Nakagami-m模型，上行干扰采用Gamma近似建模。具体推导了该系统的概率密度函数（PDF）、累积分布函数（CDF）、中断概率与平均误码率（BER）等闭式表达式作为性能指标。第二场景研究下行混合缓存系统，无人机与地面小基站（SBS）按独立齐次泊松点过程（PPP）分布，下行干扰通过拉普拉斯变换建模。重点推导了网络内容成功投递概率与能效的解析表达式作为性能指标。两种场景均通过实验结果揭示了通信性能与设计参数间的动态关联。
本文旨在系统梳理无人机通信信道建模的研究进展，并探究多重无人机及其同频干扰对覆盖性能的影响机制，进而提出最优多机部署方案。研究通过理论建模对无人机网络的两种典型应用场景进行性能评估：其一为移动地面用户通过独立空中基站实施上行传输并产生上行干扰；其二为多机协同构建缓存式空中节点网络。各章节均设置引言与结论部分，以清晰阐释研究问题并提炼章节核心贡献。全文架构如下：
第二章全面综述无人机通信信道建模的研究成果。重点解析通过实测数据建立的经验信道模型，系统呈现空地、空空信道的大尺度衰落与小尺度衰落统计特性。同时评述现有空地传播解析模型，将其归类为确定性模型、随机模型及几何随机混合模型。最后探讨当前无人机信道建模研究面临的关键挑战。
第三章提出存在下行干扰场景下多无人机作为空中基站的最优部署策略。具体构建两种部署模型：第一模型假设无人机采用对称布局，共享最优飞行高度与发射功率；第二模型采用不同高度与功率的非对称部署方案。研究以特定地理区域内满足目标信干噪比（SINR）阈值的无人机间距为变量，分析其对覆盖性能的影响机制。其中地面用户位于小区边界的最劣场景作为分析基准。
第四章针对单空中基站系统模型，理论解析地面用户移动性、传播环境及衰落信道对通信中断与误码性能的影响机理。推导信噪比（SNR）与信干比（SIR）统计特性，在纯噪声场景下结合地面用户随机路点（RWP）移动模型、不同传播环境的空地信道模型及Nakagami-m小尺度衰落模型，建立中断概率与误码率（BER）闭式表达式。进一步考虑静止与移动地面用户上行同频干扰对中断性能的复合影响。
第五章构建由缓存式无人机与地面小基站组成的混合缓存网络模型。运用随机几何理论工具定义两类节点的随机部署特征。首先推导地面用户接入无人机或地面小基站的关联概率，随后通过内容成功投递概率评估网络性能，重点考量下行传输中跨小区与小区内干扰的叠加效应。对比分析混合网络与独立无人机/地面网络的能效差异，最终提出基于内容热度的缓存优化方案：各节点预留部分缓存空间存储高热内容，其余存储次热内容，从而提升内容投递成功率。
第六章总结全文研究成果，展望无人机通信技术及衍生应用领域的未来研究方向。
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